燃气壁挂锅炉烟气NOX排放

邵柏桂

摘要：分户供暖的比例在冬季供暖市场逐年攀升，作为供暖主要设备之一的燃气壁挂锅炉的销量也在逐年上升，燃气壁挂锅炉是市场上的主流产品。由于在城市中安装比较集中，数量巨大的燃气壁挂锅炉运行时所产生的NOx等排放物，对环境的影响逐步显现。本文将对市场上常见的燃气壁挂锅炉包括常规大气式燃气壁挂锅炉、低氮壁挂锅炉、二次冷凝低氮壁挂锅炉和全预混燃气壁挂锅炉的排放物中的NOx进行测量，通过对数据进行定量分析比较，对燃气壁挂锅炉的选型给出参考。

关键词：燃气壁挂锅炉;NOx;分户供暖

1.研究背景

随着全国各地雾霾等极端天气的出现，环境污染问题逐渐引发人们的关注，促使各家研究机构，积极地探寻雾霾的主要成因。研究发现，雾霾的主要人为成因在冬季是民用建筑的供热锅炉烟气的排放，尤其是冬季供暖时燃烧煤碳的小锅炉排放的烟气影响较大[1]，因此北方冬季的雾霾一直以来都比南方更加严重。同时也发现空气中氮氧化物（NOx）的浓度与雾霾的形成有着直接的联系[2]。

天然气管道等城市基础设施的大量铺设为燃气燃烧设备的分散化使用提供了基础条件，并在北方传统和南方新兴的供暖市场都得到了越来越广泛的应用[3]。分户燃气壁挂锅炉热源供暖因其启停灵活、清洁卫生、功率易调节、计量简单等优点，逐渐成为独立供暖的主流选择[4]。图1.1展示了燃气壁挂锅炉近10年的销量[5]。

从图1.2中可以看出，在环保政策的持续推动下，2020年低氮炉全年销量有大幅提高，特别是以河北地区为代表，大范围推进“煤改气”工程安装低氮炉和冷凝炉。

2燃气壁挂锅炉的污染物排放情况

燃气壁挂锅炉主要以清洁的天然气为燃料，烟气污染物有两种：1）燃烧后烟气中的氮氧化物（NOx）;2）燃烧不完全引起的CO。

2.1烟气中的NOx

NOx是造成大气污染的主要污染源之一。通常所说的NOx有多种不同形式：包括N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5等，其中NO和NO2是主要的大气污染物。NOx的来源有三种：1）热力型（温度型）NOx指空气中的氮气在高温下被氧化而生成NOx;2）快速温度型NOx，指燃烧碳氢燃料时空气中的氧和氮与燃料中的碳氫离子基团如CH等反应生成NOx;3）燃料型NOx，指燃料中含氮化合物在燃烧过程中进行热分解，继而进一步氧化而生成NOx。对于燃烧天然气的燃气壁挂锅炉，热力型和快速温度型的NOx可能都存在。

空气的主要成份为20.94%的氧气和78.1%的氮气，在参与天然气的燃烧过程中，氧气为助燃剂，氮气也进入燃烧室。氮气和氧气在高温下与天然气发生化学反应，热力型NOx可能形成。与大型燃气锅炉一样，壁挂炉中热力型NOx的生成机理可用捷里道维奇机理[7]来预测，如图1.3所示，当温度低于1500℃时，热力NOx的生成量很少;高于1500℃时，温度每升高100 K，NOx的生成反应速度将增大6到7倍[8]。在实际燃烧过程中，由于燃烧室内的温度分布是不均匀的，如果存在局部高温区，则在这些区域会生成较多的NOx。因此，降低热力型NOx的生成主要从3个方面入手：1）降低燃烧温度，避免局部高温;2）降低氧气浓度;3）缩短烟气在高温区内的停留时间。

但是快速型NOx是天然气燃气锅炉的一个例外，如图1.3所示，虽然量很少，但是在很大温度范围内都存在。快速温度型NOx是碳氢化合物燃料如天然气，在燃料过浓燃烧时，空气中的O2和N2与CH基团在燃烧区发生反应，快速生成NOx。快速温度型NOx成于火焰面内，而温度型NOx生成于火焰的下游。1971年费尼莫尔（Fenimore）提出的反应机理认为[10]：CH燃料过浓燃烧时，CN与N2首先生成中间产物：CN、HCN（氰化物）、NH、NH2（氨化物）和N等;然后再氧化成NO，其反应过程如图1.4所示。因此，降低快速温度型NOx的主要途径是避免CH的大量产生或者避免燃料过浓燃烧，故预混燃烧将有助于抑制快速温度型NOx的生成。

快速温度型NOx的总包化学反应方程式为：

N2+O2=2NO ΔH=180.5kJ/mol （1.1）

该化学反应是一个吸热反应，高温状态有利于NO的生成而NO非常容易被氧气O2氧化形成NO2。

2NO+O2=2NO2 ΔH=-114.1kJ/mol （1.2）

该反应是一个放热反应，也是NOx转化中非常重要的一个化学反应。化学反应1.2也是空气中氮氧化物转化的主要方式，温度的变化对NOx的成分有重要影响，如在汽车内燃机的高温环境下，N2和O2化合形成的NO很难再被氧化;而常温空气中氮氧化物的主要成分是NO2就是因为反应1.2的发生。另外，由于燃料燃烧不完全而产生的一氧化碳CO也能影响NOx的成分：

NO2+CO=NO+CO2 （1.3）

综上所述，在燃气壁挂锅炉的结构设计中，主要采取1）降低火焰温度、避免局部高温的方法来降低烟气中的热力型氮氧化物NOx的生成;采取2）采用风机来缩短高温区停留时间，3）以预混燃气方式来平衡氧气含量，来实现减少热力型及快速温度型NOx的生成。

2.2各级标准对NOx排放的要求

现行的国家及各地方的锅炉排放标准，同样适用于大锅炉及燃气壁挂锅炉。国家标准GB25034-2010[11]附录E给出了燃气壁挂锅炉NOx产生量量的确定方法，并对NOx排放等级做了相关规定，如表1所示。本文所描述的NOx排放量，在单位mg/kw·h的基础上，加入了换算单位mg/m3和ppmv。应该注意的是，不同单位之间的转换基于如下条件：

1）换热效率最低的情况，给出保守的结果;

2）如果结果需要转换为mg/m3的单位，应该先基于过量空气系数为0进行转化，转化系数可参见[12]。

基于现行的设计制造燃气壁挂锅炉的NOx排放标准，依然可以继续降低，这也是为什么欧洲标准EN 15502-1：2012+A1：2015[13]将NOx排放级别调整为6级，并且第6级NOx浓度上限为62 mg/kw·h。从表1还可以看出，单体燃气壁挂锅炉NOx排放量并不是很大，但是由于煤改气政策从北京及其周边河北省开始大面积实施，高层建筑的集中建设，致使燃气壁挂锅炉的排放总量非常大。这不仅进一步造成了相关城市的热岛现象[14]，而且燃气壁挂锅炉密集布置时， NOx的排放问题也需要给予重点关注。

为了贯彻《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国大气污染防治法》的执行和推广，控制锅炉燃烧污染物排放，防治空气污染，国家环保部制定了《锅炉大气污染物排放标准》。作为大气主要污染物的PM2.5的重要前驱物，NOx成为大气污染治理的重中之重，为了进一步降低NOx排放，改善空气质量，全国各地区在满足国家标准的同时，陆续出台更为严格的地方标准。例如北京市规定从2017年4月1日起，北京市全市新建锅炉执行30 mg/m?的排放浓度限值;对于高污染燃料禁燃区内的在用锅炉，执行80 mg/m?的排放浓度限值。与目前各个国家和地区执行的NOx排放要求相比，北京市的锅炉NOx排放标准几乎算是全世界范围内最为严苛的要求。下表2为北京市《锅炉大气污染物排放标准》第4.1.1和4.1.2条中对锅炉排放污染物的相应要求。针对燃气壁挂锅炉的烟气排放要求，北京政府在当地煤改气招标中也同樣采用此标准。

继北京之后全国各大城市和地区也纷纷对锅炉NOx排放要求进行调整，根据各自的城市特点，颁布了《锅炉大气污染物排放标准》（地方标准）。从表1可以看出，NOx排放分级为5级时，要求NOx浓度上限为70 mg/kw·h，但是在同样遵守5级NOx排放标准前提下，如果排放量分别为15 mg/kW·h和60 mg/kW·h，那么两种锅炉的NOx排放量就差了整整4倍，所以即使都满足5级的排放标准，但各种壁挂锅炉的NOx排放量也是明显不同的，因此即使现阶段产品达标，考虑壁挂锅炉的密集效应、及标准的不断更新，仍需追求更低的排放浓度。

3燃气壁挂锅炉的烟气排放分析

燃气壁挂锅炉类型

目前市场上主流的燃气壁挂锅炉有四种，分别为普通燃气壁挂锅炉（普通锅炉）、低氮燃气壁挂锅炉（低氮锅炉），二次冷凝低氮燃气壁挂锅炉（二次冷凝锅炉）和全预混燃气壁挂锅炉（全预混锅炉），具备低氮功能的有低氮锅炉、二次冷凝锅炉和全预混锅炉三种。其中低氮锅炉与普通锅炉的结构极其相似，其主要区别仅仅在燃烧器的机械结构上。普通锅炉和低氮锅炉的额定热输出是在80/60℃的供回水状态下测试的，而二次冷凝和全预混冷凝锅炉不只有额定热输出，还有在50/30℃的供回水状态下测试出的额定冷凝热输出。由于冷凝状态下有气态水蒸汽凝结为液态水释放热量，致使冷凝锅炉在50/30℃供回水状态下的冷凝额定热输出大于80/60℃供回水状态下的非冷凝额定热输出。

3.1 四种燃气壁挂锅炉的NOx排放测试结果分析

本研究主要针对天燃气作为壁挂锅炉的燃料进行相关研究。运用标准天然气G20测试市场上主流的普通锅炉、低氮锅炉、二次冷凝锅炉和全预混冷凝锅炉的主流款式各两款产品进行部分负荷、全负荷以及超负荷状态下NOx的排放量测试，分析每种燃气壁挂锅炉烟气中NOx排放量的影响因素及其相互之间的相关关系。

3.2壁挂炉使用G20燃气的NOx排放研究

图3.1为四种不同类型锅炉在不同工作模式不同负荷下燃烧G20燃气的NOx排放量比较，本研究每个工况均测量两台不同的同类型锅炉进行数据记录，取其平均值进行比较（下同）。

（1）锅炉工作模式的影响

燃气锅炉的生活热水模式为采暖水通过板式换热器加热生活热水。由图3.1可知，当生活热水的出水温度设定在50℃，而采暖同样设定在50℃时，供热模式下的NOx排放量要低于生活热水模式下NOx的排放量，这是由壁挂锅炉的运行模式决定的，生活热水的产出是用供热水通过板式换热器加热生活冷水，所以生活热水模式下，换热器的出水温度要大于生活热水的出水温度。也可以理解为燃气锅炉运行时夏季测试出水温度要高于冬季的采暖供水要求，燃气锅炉的烟气温度相对要高一些。另外，在不同工作模式下，锅炉负荷越高，NOx的排放量都越高，这是因为负荷越高，在同样大小的燃烧室内，燃烧的气量越多，因此烟气温度越高，热力型的NOx生成量自然更多;同时，烟气温度对于热力型NOx的生成有非常明显的作用，烟温越高，则烟气中的NOx比例相对越高。

（2）不同类型壁挂锅炉的排放比较

如图31所示，无论在供暖还是生活热水模式下，普通锅炉的NOx排放量都是最高的，低氮燃气锅炉次之，这是由于其结构上的特点造成的，低氮燃气锅炉只有燃烧器上有回水管，燃烧器的火焰温度被降低了。天然气燃烧后，与主换热器进行热交换后，通过烟管直接排放到室外，最终的排烟温度也是仅次于普通锅炉的;而二次冷凝燃气壁挂锅炉在低氮燃气锅炉的基础上，有一个二次冷凝换热器，进一步降低了烟气的温度，因此使烟气中的热力型NOx的含量进一步降低;全预混冷凝燃气锅炉则是因为将天然气和空气充分预混后喷入燃烧室进行燃烧，其火焰的燃烧表面温度本来就很低，另外全预混锅炉的换热器结构是主换热器和二次冷凝换热器在一起，并构成燃烧室的外腔，烟气必须通过冷凝热交换器才能进入烟管，排到大气中去，使得烟气温度进一步降低，进一步降低了热力型NOx的产生量。另外G20燃烧后的燃料型NOx本来就相对较少，作为热力型NOx占主导的燃气锅炉，过量空气系数增大，未参与燃烧的空气量增多，这部分空气会带走大量热量，从而降低火焰温度，热力型NOx的生成能力减弱，使得NOx实测浓度值降低。

4 结论

通过对四种燃气壁挂锅炉在不同负荷下燃烧G20燃气，对其烟气中NO x和CO的排放和锅炉的换热效率进行研究，结果表明：普通燃气壁挂锅炉燃烧G20后烟气中的NOx在四种锅炉里面是最高的，全预混冷凝燃气锅炉燃烧G20后烟气中的NOx值是最低的，其排放值会相差3-4倍。对比了四种燃气壁挂锅炉烟气中NOx的排放量，供暖和生活热水工作模式下NOx排放排序为：全预混锅炉<二次冷凝锅炉<低氮锅炉<普通锅炉，并且发现全预混冷凝锅炉在部分负荷时的NOx排放是最低的，而普通锅炉的NOx排放是最高的。低氮、低氮二次冷凝和全预混锅炉都能达到国家强制产品标准GB25034-2010的NOx排放5级的要求，但只有全预混冷凝燃气锅炉可以达到北京的NOx排放要求30 mg/m3。在供暖季节，燃气壁挂锅炉大部分时间都是在部分负荷的状态下运行的，因此全预混冷凝锅炉在分户供暖系统上的大范围运用，将大大降低我国北方地区在冬季供暖季节NOx的排放;

如果从煤改气开始的2017年开始进行统计，到2020年。按平均每年不到400万台燃气壁挂锅炉来进行计算。如果全部使用全预混冷凝锅炉，燃气壁挂锅炉代替集中供暖的NOx的排放量每年还会至少降低60%以上，而天然气使用量比现阶段至少节约23%以上。那么煤改气和分户供暖将为环保贡献更大的力量。

参考文献

[1]《京津冀及周边地区2019-2020年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》[Z]. http：//www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk03/201910/t20191016_737803.html

[2] GB 13271-2014， 锅炉大气污染物排放标准[S].

[3] 马婧芳.浅谈分户燃气壁挂炉供暖的发展优势[J].科技信息，2009（35）：734+803.

[4] 翟仁武. 沼气壁挂锅炉燃烧器设计与实验研究[D].重庆大学，2014.

[5]《燃气采暖热水炉产品2020年度市场统计公告》[Z]. 中国土木工程学会燃气分会燃气供热专业委员会， 燃气供热及应用平台

[6] 张杨竣 燃气具行业十三五发展回顾和十四五发展规划编制启动介绍[Z] 华北设计院

[7] Scappin F.， Stefansson S H.， Haglind F.， et al. Validation of a zero-dimensional model for prediction of NOx and engine performance for electronically controlled marine two-stroke diesel engines[J]. Applied Thermal Engineering， 2012， 37：344-352.

[8] Chikahisa， T. Analysis of NO formation characteristics and its control concepts in diesel engines from NO reaction kinetics[J]. JSAE Review， 1994， 15（4）：297-303.

[9] 姜正侯. 燃氣工程技术手册[M]. 同济大学出版社， 1993.

[10] 谢冲明.煤燃烧过程中NOX的形成机理及控制技术[J].能源环境保护，2009（37）：3-161+162.

[11] GB 25034-2010， 燃气采暖热水炉[S].

[12]Conversion Factors of NOx Emissions Calculation Procedure[Z]. https：//www.breeam.com/domrefurbmanual/content/13calculations/08pol01.htm

[13] BS EN 15502-1-2012， Gas-fired heating boilers， Part 1： General requirements and tests [S].

[14] DB11/139-2015 锅炉大气污染物排放标准. 北京市环保局及北京市质量技术监督局[S].